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Die gezielte Kontrolle und Manipulation quantenmechanischer Zustände für Quantencomputer und Quantenkryptografie

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Elektronenpaare auf KnopfdruckKontrollierte Emission und räumliche Aufspaltung von Elektronenpaaren nachgewiesen

In der Quantenoptik ist die Erzeugung verschränkter und räumlich getrennter Photonenpaare z.B. für die Quantenkryptografie bereits Realität. Eine analoge Erzeugung und räumliche Trennung verschränkter Elektronenpaare in Festkörpern konnte allerdings bislang noch nicht nachgewiesen werden.

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Geätzter Halbleiterkanal

Nun sind Physiker der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) einen wichtigen Schritt in dieser Richtung vorangekommen. Sie konnten erstmals die paarweise Emission von Elektronen aus einem Halbleiter-Quantenpunkt und deren anschließende räumliche Aufspaltung in zwei getrennte Leiter nachweisen. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Die gezielte Kontrolle und Manipulation quantenmechanischer Zustände könnte in Zukunft vielversprechende Anwendungen wie Quantencomputer und Quantenkryptografie ermöglichen. In der Quantenoptik ist eine derartige gezielte Kontrolle und Manipulation von Quantenzuständen bereits seit einiger Zeit Realität. So können zum Beispiel gezielt Paare von verschränkten, aber räumlich getrennten Photonen erzeugt werden, die für die Quantenkryptografie von grundlegender Bedeutung sind. Eine analoge Erzeugung und räumliche Trennung verschränkter Elektronen in Festkörpern wäre für zukünftige Anwendungen von großer Bedeutung, konnte allerdings bislang noch nicht nachgewiesen werden. Die Ergebnisse aus Hannover und Braunschweig sind ein wichtiger Schritt hin zu diesem Ziel.

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Als Elektronenquelle nutzten die Physiker der Leibniz Universität Hannover und der PTB sogenannte Halbleiter-Einzelelektronenpumpen. Diese emittieren bei gezielter Anregung durch Spannungspulse jeweils eine bestimmte Anzahl von Elektronen. Die Einzelelektronenpumpe wurde dabei so betrieben, dass sie pro Spannungspuls, quasi auf Knopfdruck, jeweils genau ein Elektronenpaar in einen Halbleiterkanal abgab. Im Kanal befand sich wiederum eine halbdurchlässige elektronische Barriere, die den Kanal in zwei elektrisch getrennte Bereiche teilte.

Über eine sogenannte Korrelationsmessung wurde anschließend aufgezeichnet, ob die Elektronenpaare die Barriere passierten, an ihr reflektiert oder von ihr aufgetrennt wurden. Dabei zeigte sich, dass bei geeigneter Wahl der Parameter tatsächlich mehr als 90 % der Elektronenpaare an der Barriere aufgespalten und räumlich getrennt wurden. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zur gezielten Erzeugung und Trennung verschränkter Elektronenpaare in Halbleiterbauteilen.

Originalveröffentlichung:
Niels Ubbelohde, Frank Hohls, Vyacheslavs Kashcheyevs, Timo Wagner, Lukas Fricke, Bernd Kästner, Klaus Pierz, Hans W. Schumacher, Rolf J. Haug: Partitioning of on-demand electron pairs. Nature Nanotechnology (2014), DOI: 10.1038/nnano.2014.275. http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2014.275.html

Ansprechpartner:
Dr. Niels Ubbelohde
Arbeitsgruppe 2.53 Niedrigdimensionale Elektronensysteme
E-Mail: niels.ubbelohde@ptb.de.

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